JP2008249589A

JP2008249589A - 微量液滴塗布システム

Info

Publication number: JP2008249589A
Application number: JP2007093057A
Authority: JP
Inventors: Usoku Shin; 申　　ウソク; Ichiro Matsubara; 一郎松原; Noriya Izu; 伊豆　　典哉; Toshio Ito; 敏雄伊藤
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】微量液滴塗布システムを提供する。
【解決手段】微量の液滴又は液を塗布する塗布装置の塗布量を計測する方法であって、水晶振動子を用いた微量質量センサ（ＱＣＭセンサ）に付着した被計測材料の質量から周波数の変化量を計測し、その計測値に基づいて塗布量制御のフィードバックを行い、塗布量を制御し、それにより、塗布される微量の液滴又は液の塗布量を計測することを特徴とする塗布量の計測方法、及びその計測装置。
【効果】ｎｇレベルの塗布量を短時間で、かつ高精度に計測することが可能で、しかも塗布量をその場計測で計測し、塗布量制御のフィードバックにより微量の液滴又は液の塗布量を高精度に評価することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、微量液滴塗布システムに関するものであり、更に詳しくは、水晶振動子を用いた微量質量センサ（ＱＣＭセンサ）を利用して塗布装置により塗布又は塗出された微小液滴の塗布又は塗出の量を計測する塗布量の計測方法及びその装置に関するものである。本発明は、既存の水晶振動子を用いた微量質量センサを微小液滴の塗布又は塗出の量を計測するために応用して、微量液滴塗布システムを構築したものであり、例えば、塗布装置として、インクジェット又はディスペンサを用いた塗布設備における生産プロセス管理等に利用可能な塗布量の計測方法及びその装置を提供するものである。

微小液滴を塗出乃至吐出し、様々なパターンを形成する製造プロセス、又は適量を加える微量液滴塗布システムにおいて、微量の液滴もしくは液の塗布量の制御は、被塗布材料の品質管理の面からも重要な問題である。しかし、微量の液滴もしくは液は、その量が少ないため、直接計測することが困難である。従来、例えば、塗布する対象のワークに塗布する前に、ダミーに向けて数滴から数千滴を塗布し、十分測定可能な塗布量を塗布してから、計測し、１敵当りの塗布量を計算する方法が利用されている。

塗布装置としては、例えば、インクジェット及びディスペンサ装置が利用されている。それらのうち、例えば、通常のインクジェット塗布の場合、１滴又は１ドロップ当たりの量は、０．０１ナノリッタ（ｎＬ）未満であり（家庭用のプリンタの場合、最小ドロップは数ピコリッタ、ｐＬ）、電子天秤で測るためには、少なくても１０万ドロップ以上塗布して計測する必要がある。参考として、１ｎｇの水滴は１ｐＬ、１μｇの水滴は１ｎＬであり、１０万ドロップでやっと１ｍｇとなる。生産管理用であれば、より多く塗布して計測誤差を減らすことが求められる。

しかし、このような計測は、時間がかかるため、より早く評価する手法を開発する必要がある。例えば、１秒当り１０００敵塗布するような高速塗布の場合でも、１０万ドロップを塗布するには、最低１００秒かかることとなる。より多く塗布する場合、更に繰り返しの再現性や精度の面では優れていくが、手間と時間がかかるという問題がでてくる。

他の塗布方法として、例えば、ディスペンシングの場合でも、塗布量を正確に知ることはプロセス管理として重要である。パルス的な塗布、連続的な塗布の場合でも、ある塗布条件で塗出される量を計測することは同じである。塗布量を管理する通常の方法としては、最初の全体の液量の重さを予め計測し、一定のパルス数、もしくは、一定時間の塗布後に重量差を計測する方法が使われている。

しかし、この場合でも、重量計測に十分な量を塗布する必要があり、塗布時間はインクジェットより早くても、塗出特性の変化の詳細を把握することはできない。また、ある塗布量を塗布し、そのシルエットを計測することで塗布量を測り、塗出特性を評価することも可能であるが、通常の市販の装置では、１μＬ以上の塗布量から正確な計測が可能であり、ナノリッタレベルの塗出特性は評価できない。

一方、従来、水晶振動子及びそれを用いた応用製品が種々開発されており、例えば、高感度化のため、薄板化した水晶の破損を防止した水晶振動子、ＱＣＭセンサ、水晶振動子を採用したバイオチップ、水晶振動板上に感光性樹脂からなる被膜を形成した水晶素板を加工した水晶振動子等が開発されている（特許文献１、２、非特許文献１、２）。

しかし、ＱＣＭセンサが液量の計測に応用された報告例はない。また、従来、インクジェット液滴観察装置が開発されているが、これは、特にインクジェットの吐出に特化された技術であり、高速塗布評価、例えば、液滴速度、吐出角度、液滴体積等に関する実験の効率と精度を評価できるが、装置が大掛りであり、インクジェット吐出技術の研究開発用であり、積算計測及びディスペンサには不向きである。

特開２００３−２２２５８１号公報特開２００３−２３４６３２号公報南戸秀仁、"感性を測るエレクトロニックノーズ"、表面科学、Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．１，ｐｐ３９−４５（２００６）セイコー・イージーアンドジー社の製品カタログ、水晶振動子バイオセンシングシステム、モデル：ＱＣＭ９３４、２００６年６月、Ｒｅｖ．１．１

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、微量の液滴又は液を塗布する塗布装置の塗布量を高精度に計測することが可能な塗布量の計測方法及びその装置を開発することを目標として鋭意研究を重ねた結果、水晶振動子を用いた微量質量センサ（ＱＣＭセンサ）を用いることで微量液滴又は液の塗布量を高精度に計測できることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明は、ＱＣＭセンサを用いて構築した微量液滴塗布システムを利用した塗布量の計測方法及びその装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）微量の液滴又は液を塗布する塗布装置の塗布量を計測する方法であって、水晶振動子を用いた微量質量センサ（ＱＣＭセンサ）に付着した被計測材料の質量から周波数の変化量を計測し、その計測値に基づいて塗布量制御のフィードバックを行い、塗布量を制御し、それにより、塗布される微量の液滴又は液の塗布量を計測することを特徴とする塗布量の計測方法。
（２）塗布装置に配設したＱＣＭセンサにより、上記周波数の変化量を計測することで、塗布される微量の液滴又は液の塗布量をその場計測により計測する、前記（１）記載の計測方法。
（３）上記計測値に基づいて塗布量の少又は多の評価を行い、その評価結果から塗布条件を変更することにより塗布量制御のフィードバックを行う、前記（１）記載の計測方法。
（４）上記塗布装置として、インクジェット又はディスペンサを用いる、前記（１）記載の計測方法。
（５）微量の液滴又は液を塗布する塗布装置の塗布量を計測する計測システムであって、微量の液滴又は液を塗布する塗布装置、塗布量を制御する塗出制御手段、上記塗布装置による塗布量を計測する水晶振動子を用いた微量質量センサ（ＱＣＭセンサ）、上記ＱＣＭセンサに付着した被計測材料の質量から周波数の変化量を計測する周波数計測器、上記周波数計測器による計測値に基づいて塗布量制御のフィードバックを行うフィードバック機構を具備していることを特徴とする塗布量の計測装置。
（６）上記塗布装置が、インクジェット又はディスペンサを備えた装置である、前記（５）記載の計測装置。
（７）前記（５）又は（６）に記載の計測装置を、塗布装置を含む塗布設備に配設して、塗布装置から塗出される微量の液滴又は液の量を所定の値に制御して、液滴又は液の塗出量を管理することを特徴とする塗布装置における液滴又は液の塗出量の管理方法。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、微量の液滴又は液を塗布する塗布装置の塗布量を高精度に計測する方法であって、水晶振動子を用いた微量質量センサ（ＱＣＭセンサ）に付着した被計測材料の質量から周波数の変化量を計測し、その計測値に基づいて塗布量制御のフィードバックを行い、塗布量を制御し、それにより、塗布される微量の液滴又は液の塗布量を短時間で、かつ高精度に計測する、ことを特徴とするものである。

本発明では、塗布装置に組み合せて配設したＱＣＭセンサにより、上記周波数の変化量を計測することで、ｎｇレベルの微量の液滴又は液の塗布量をその場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）計測で計測すること、また、上記計測値に基づいて塗布量の少又は多の評価を行い、その評価結果から塗布条件を変更することにより塗布量制御のフィードバックを行うこと、更に、上記塗布装置として、インクジェット又はディスペンサを用いること、を好ましい実施の態様としている。

また、本発明は、微量の液滴又は液を塗布する塗布装置の塗布量を計測する計測システムであって、微量の液滴又は液を塗布する塗布装置、塗布量を制御する塗出制御手段、上記塗布装置による塗布量を計測する水晶振動子を用いた微量質量センサ（ＱＣＭセンサ）、上記ＱＣＭセンサに付着した被計測材料の質量から周波数の変化量を計測する周波数計測器、上記周波数計測器による計測値に基づいて塗布量制御のフィードバックを行うフィードバック機構、を具備してなることを特徴とするものである。本発明では、上記塗布装置が、インクジェット又はディスペンサを備えた装置であること、を好ましい実施の態様としている。

前述したように、従来、ＱＣＭセンサは、薄膜の厚みの計測等に実用化されている。このＱＣＭセンサでは、重量変化にともなう周波数変換素子の周波数変化を測定する検出方法に水晶振動子を利用している。このセンサは、絶対量の質量の計測は難しいが、質量変化の計測に対しては、高感度であり、１ｎｇ以下の計測にも十分活用できる。従来、このセンサが、液量の計測に応用された例は無いが、本発明者らは、原理的には、微量の液滴又は液の重さを測ることは可能と考え、その実証試験を試みた。

ここで、ＱＣＭセンサの動作原理を説明をすると、周波数変化と質量変化の関係式のＳａｕｅｒｂｒｅｙの式（数１）によると、周波数の変化量は、質量変化量となる。検知の原理は、計測する被計測材料がセンサに付着すると、センサ全体の質量が増大し、その変化分が周波数の変化量として計測することを特徴とするものである。

上記式のパラメーターは、ΔＦ＝周波数の変化量、Ｆｏ＝センサの周波数、Ａ＝電極面積、μ＝水晶のせん断応力（２．９４７×１０１０ｋｇｍｓ）、ｐ＝水晶の比重（２６４８ｋｇ／ｍ^３）、Δｍ＝質量変化量、である。

このＱＣＭセンサは、通常、１ｃｍ程度のパレット状のものであり、塗布装置に簡単に取り付け可能であり、塗布量のその場計測にも有利である。本発明では、このセンサを用いて、微量の液滴もしくは液を塗布する塗布装置の塗布量を計測することにより、塗布量を短時間でその場計測で計測することで、塗布装置の塗布量制御のフィードバックを実行し、塗布を行ことができる。本発明で、好適に利用できるＱＣＭセンサとしては、例えば、京セラ製ＱＣＭセンサ素子等の市販製品が例示されるが、これに制限されるものではない。

本発明では、好適には、例えば、上記水晶振動子を用いた微量質量センサ（ＱＣＭセンサ）、周波数の変化量を計測する周波数計測器、塗布装置、塗出制御手段を備えた塗布システムが用いられる。このような塗布システムは、インクジェット又はディスペンサ等の、液滴プロセスを用いた生産プロセスの管理等に利用され、品質管理やその高効率化を図ることができる。本発明のシステム構成図の例を図１に示す。このＱＣＭセンサのシステム構成は、ペーストを塗布するための塗布システム、塗布量を計測するためのＱＣＭセンサ及び周波数計測器、塗出を制限するための塗布制御装置からなっている。

本発明において、塗布する被塗布材料としては、例えば、ペースト状材料、液滴、液材料が例示されるが、インクジェット又はディスペンサ等で塗布できる材料であれば、その種類は特に制限されるものではない。それらの具体例としては、例えば、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ：ＦｌａｔＰａｎｅｌＤｉｓｐｌａｙ）に使われる、有機ＥＬ材料のインキが挙げられる。また、配線材料としては、インクジェットヘッドから金属材料を含んだインクを、金属層のパターンどおりに描画する。本発明の塗布システムの制御アルゴリズムの例を図２に示す。この場合、ＱＣＭセンサ、周波数計測器、塗布システムから構成される塗布システムを用いて、データベースに保存した初期塗布条件で塗布を開始して、テスト塗布を実施する。

ＱＣＭセンサで塗布量を計測し、塗布量が少又は多の場合は、その計測値と初期塗布条件に基づいて、適宜、塗布条件を変更して変更塗布条件を設定し、テスト塗布を実施する。一方、前記塗布量が適用範囲内の場合は、塗布を実施し、ＱＣＭセンサで塗布量を計測し、塗布量が適量の場合は、そのまま塗布を実施し、塗布量が少又は多の場合は、その計測値に基づいて、適宜、塗布条件を変更して変更塗布条件を設定し、これらの塗布条件をデータベースに記録、保存し、適量の塗布条件で塗布を継続する。

塗布量制御のフィードバックの場合、例えば、インクジェットでは、塗布のドロップパルスの幅を調整することで塗布量を減らしたり増やしたりすることができる。ディスペンサのような塗布の場合、塗布圧を調整することで、塗出量を調整し、塗布量を減らしたり増やしたりすることができる。本発明では、上述の塗布システムの制御アルゴリズムを用いて、塗布量のフィードバックを実行し、塗布量の調整が行われる。

本発明において、塗布装置に供給される被塗布材料は、インクジェット又はディスペンサにより塗布することができる液体、ペースト状態の原料、その中間品又は製品のいずれであっても良く、特に制限されるものではない。また、本発明で使用される水晶振動子を用いた微量質量センサとしては、例えば、市販製品として、京セラ製のＱＣＭセンサ素子が例示されるが、それらに限定されるものではなく、適宜のＱＣＭセンサを用いることができる。

本発明では、好適には、ＱＣＭセンサに付着した被計測材料の質量から周波数計測器により周波数の変化を計測し、その計測値に基づいて塗布量を計測し、塗布量制御のフィードバックを行い、好適な塗布条件を設定し、塗布を実行する。その場合、ＱＣＭセンサを塗布装置に配設して、塗布量をその場計測により計測することが好ましい。上記塗布量制御のフィードバックのためのアルゴリズムは、好適には、例えば、図２に示したものが用いられるが、特にこれに制限されるものではなく、任意の方式を採用することができる。

本発明の塗布量の計測方法及び装置を用いることで、塗布装置による１滴あたりの塗布量を高精度に計測することが可能であり、また、ＱＣＭセンサは、質量変化の計測に対しては高感度であり、１ｎｇ以下の計測にも十分活用することができるので、例えば、０．１ｐＬの液滴の数滴程度の少ない滴数で塗出特性及びその変化を詳細に評価することが可能であり、それにより、塗布量の制御、塗布プロセスを含む生産工程の管理等を高精度に実施することが可能となる。本発明で、塗出特性の評価とは、１滴当たりの塗出量と連続塗布時の線形特性の評価である。

本発明のＱＣＭセンサを用いる塗布量の計測方法及び装置の応用としては、液体の塗布プロセス以外に、さまざまな応用が可能である。例えば、食品、バイオ、医療関連プロセスで、薬液等を配合又は投与するシステムに応用すると、より正確に配合又は投与することが可能であり、それらのプロセスの信頼性向上及び高効率化を図ることができる。

本発明により、次のような効果が奏される。
（１）ＱＣＭセンサを用いて、微量の液滴もしくは液を塗布する塗布装置の塗布量を計測することで、ｎｇレベルの塗布量を短時間で、かつ高精度に計測することが可能で、しかも塗布量制御のフィードバックが可能となる。
（２）小型であるＱＣＭセンサを塗布装置の一部として組み込むことで、塗布量をその場計測で計測し、塗布量制御のフィードバックを実行することができる。
（３）ＱＣＭセンサを用いることで、微量の液滴の評価ができるため、塗布プロセスと当該プロセス間の均一塗布性を高精度に確認することができる。
（４）本発明の計測制御システムを利用することにより、塗布プロセスを含む生産工程の効率を上げることが可能となる。
（５）本発明の計測システムを利用することにより、塗布プロセスの品質管理を容易にすることが可能となる。
（６）小型軽量のＱＣＭセンサを塗布装置の一部として組み込むことで、他の計測機器と比べて塗布部の移送を高速かつ高精度で実現できる。

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

（１）塗布システムの構成
本実施例では、図１に示されるＱＣＭセンサのシステム構成において、塗布装置としてインクジェットを用いて塗布量の計測装置を構成した。すなわち、塗布材料として、イソプロパノール（ｉ−ｐｒｏｐａｎｏｌ）を使用し、ＱＣＭセンサ（多摩デバイス製ＨＣ−４９／Ｕ型水晶センサ）、周波数計測器（多摩デバイス製ＴＨＱ−１０Ｄ型）を具備する塗布量計測手段を備えた塗布システムを構築した。

（２）塗布量制御のフィードバックシステム
図２に示されるシステムの制御アルゴリズムを利用して、塗布量制御のフィードバックシステムを作成した。すなわち、ＱＣＭセンサ、周波数計測器、インクジェット、塗出制御手段を含む塗布システムを用いて、データベースに保存した初期塗布条件で塗布を開始し、テスト塗布を実施した。ＱＣＭセンサで塗布量を計測し、その計測値と初期塗布条件を対照させて、塗布量の少又は多に応じて、塗布条件を変更し、変更塗布条件を設定して、塗布量が適用範囲内になるように塗布量制御のフィードバックを実行した。

上記適用範囲内に設定した塗布量でバッチプロセスにより塗布を実施し、ＱＣＭセンサで塗布量を計測し、その適量の値をデータベースに記録、保存した。また、塗布量が少又は多の場合には、塗布条件を変更し、変更塗布条件を設定する塗布量制御のフィードバックを実行した。

（３）インクジェットシステム
本実施例では、上述のように、インクジェットシステムを用いて、ＱＣＭセンサにより塗布量の測定を行った。溶液としては、ｉ−ｐｒｏｐａｎｏｌを用いた。塗布条件としては、ｐｅｒｉｏｄ０．６１８ｍｓ、ｄｅｌａｙ０．６０５ｍｓ、温度は２９℃とした。図３に、インクジェットの異なる塗布量（ドロップパルス数）に対する周波数シフト（Ｈｚ）と経時変化の関係を示す。横軸は時間経過（秒単位）、縦軸は周波数シフト（Ｈｚ）、グラフの１００〜２０００はドロップパルスで表した塗布量を示す。

図３に示された周波数シフト（Ｈｚ）と経時変化の関係から、ＱＣＭセンサの応答には、いずれの塗布量（パルス数）においても、数秒以上の時間が必要であることが明確に分かる。周波数シフトは、ピーク値を示してから減少しているが、これは、溶液が蒸発したためと考えられ、蒸発しやすい溶液に対しては、計測時間に注意が必要であることが分かった。

図４に、インクジェットドロップパルスとＱＣＭセンサの周波数シフト（Ｈｚ）ピーク値の関係を示す。横軸はドロップパルス数、左の縦軸は周波数変化のピーク値／Ｈｚ、右の縦軸は１ドロップパルス当たりの塗布量を示す。図４では、ＱＣＭセンサの周波数シフト（Ｈｚ）ピーク値を塗布量と見なし、ドロップパルス数でプロットした。ΔＦ（Ｈｚ）＝１．１５３Δｍ（ｎｇ）の式を用いて、Δｍを計算（ｎｇ）して、１パルス当たりの量／ｎｇとして右の縦軸に示した。その結果、１ドロップあたりの量は、約０．２５ｎｇであり、１ドロップ当たりの塗布量をｎｇレベルで計測できることが実証された。また、１０００パルスの前後で補正式を変える必要があることが分かった。

本実施例では、塗布装置としてディスペンサを用いた他は、実施例１と同様にして、塗布システム及び塗布量制御のフィードバックシステムを構築した。本実施例では、ディスペンサによる水の塗布について、液滴量の計測を試みた。図５に、ディスペンサで塗布した水の液滴量とＱＣＭセンサの周波数シフト（Ｈｚ）ピーク値の関係を示す。横軸は水量（ｍｉｃｒｏ−ｌｉｔｅｒ）、縦軸は変化周波数を示す。本来であればΔＦ＝１１５３Δｍとなるはずのものが、プロットからは、ΔＦ＝１５７Δｍであった。これは、予測と一桁異なるが、ある程度の指標としては応用可能であると評価される。

以上詳述したように、本発明は、微量液滴塗布システムに係るものであり、本発明により、ＱＣＭセンサを用いて、微量の液滴もしくは液を塗布する塗布装置の塗布量を計測することで、ｎｇレベルの塗布量を短時間で、かつ高精度に計測することが可能で、しかも塗布量制御のフィードバックが可能となる。また、本発明により、小型であるＱＣＭセンサを塗布装置の一部として組み込むことで、塗布量をその場計測で計測し、塗布量制御のフィードバックを実行することができる。また、ＱＣＭセンサを用いることで、微量の液滴の評価ができるため、塗布プロセスと当該プロセス間の均一塗布性を高精度に確認することができる。本発明は、ＱＣＭセンサを微量塗布システムに適用した、インクジェット又はディスペンサによる塗布量をｎｇレベルで計測することを可能とする新しい計測方法及びその装置を提供するものとして有用である。

ＱＣＭセンサのシステム構成を示す。システムの制御アルゴリズムを示す。インクジェットの異なる塗布量（パルス数）に対する周波数シフト（Ｈｚ）経時変化を示す。インクジェットドロップパルスとＱＣＭセンサの周波数シフト（Ｈｚ）ピーク値の関係を示す。右の縦軸は、１パルス当りの塗布量示す。ディスペンサで塗布した水の液滴量とＱＣＭセンサの周波数シフト（Ｈｚ）ピーク値の関係を示す。

Claims

微量の液滴又は液を塗布する塗布装置の塗布量を計測する方法であって、水晶振動子を用いた微量質量センサ（ＱＣＭセンサ）に付着した被計測材料の質量から周波数の変化量を計測し、その計測値に基づいて塗布量制御のフィードバックを行い、塗布量を制御し、それにより、塗布される微量の液滴又は液の塗布量を計測することを特徴とする塗布量の計測方法。
塗布装置に配設したＱＣＭセンサにより、上記周波数の変化量を計測することで、塗布される微量の液滴又は液の塗布量をその場計測により計測する、請求項１記載の計測方法。
上記計測値に基づいて塗布量の少又は多の評価を行い、その評価結果から塗布条件を変更することにより塗布量制御のフィードバックを行う、請求項１記載の計測方法。
上記塗布装置として、インクジェット又はディスペンサを用いる、請求項１記載の計測方法。
微量の液滴又は液を塗布する塗布装置の塗布量を計測する計測システムであって、微量の液滴又は液を塗布する塗布装置、塗布量を制御する塗出制御手段、上記塗布装置による塗布量を計測する水晶振動子を用いた微量質量センサ（ＱＣＭセンサ）、上記ＱＣＭセンサに付着した被計測材料の質量から周波数の変化量を計測する周波数計測器、上記周波数計測器による計測値に基づいて塗布量制御のフィードバックを行うフィードバック機構を具備していることを特徴とする塗布量の計測装置。
上記塗布装置が、インクジェット又はディスペンサを備えた装置である、請求項５記載の計測装置。
請求項５又は６に記載の計測装置を、塗布装置を含む塗布設備に配設して、塗布装置から塗出される微量の液滴又は液の量を所定の値に制御して、液滴又は液の塗出量を管理することを特徴とする塗布装置における液滴又は液の塗出量の管理方法。